機器人拆垛工作站的設計與應用

謝高蘭， 陳廣文， 白躍品

（1.長沙智能制造研究總院有限公司，長沙 410205；2.中聯重科股份有限公司，長沙 410205；3.中煤科工集團上海有限公司，上海 200241）

0 引言

在全球都在推進智能制造、各個行業都在進行產業升級、自動化設備替代人的大背景下，受我國過去人口紅利的影響，目前鈦錠、鋁錠等有色冶煉行業自動化設備互聯互通程度不高，主要是依靠單工位自動化設備生產為主，尤其在工件原材料的拆垛上料和成品的碼垛下料方面主要依賴人工作業，未做到連線生產。現在人口老齡化嚴重和人工成本增加等問題，要求企業降本增效和提高產品的競爭力，對產業升級需求日趨強烈[1-8]。

通過對客戶現場現狀分析、梳理和再造生產流程，本文設計一套鈦錠物料機器人拆垛工作站系統，重點研究了工作站的布局和定制的取放執行機構。工作站通過視覺識別系統實現鈦錠物料的精確定位，進而通過驅動定制的取放料機構實現鈦錠物料的自動抓取、自動搬運、自動放置。同時工作站在系統集成方面實現了爐料倉內鏈軌移動就位信號和托盤放置就位信號的互聯互通，做到與生產線的聯動生產，在有色冶煉行業中具備可推廣性和復制性，給類似工程項目提供參考。

1 目前現狀

目前國內有色冶煉行業熔煉爐在上料方面主要依賴人工作業，熔煉爐前端的鈦錠物料的上料現狀總結如下：1）現場鈦錠物料的規格（長×寬×高）為580 mm×380 mm×200 mm，單塊質量約為145 kg；物料搬運主要是通過5 人/班配合，2人在棧板側先將1塊鈦錠物料的一頭抬起，塞入吊帶，然后將鈦錠物料的另一頭抬起，塞入吊帶，再通過1個人利用橋式起重機進行搬運，當物料吊到熔煉爐料倉內鏈軌移動就位的托盤放置，由2人負責卸載；2）現場實行3班制，每班8 h，配合熔煉爐的24 h連續熔鑄生產。人工結合橋式起重機的上料比較耗時，效率不高，而且工人勞動強大；物料擺放比較凌亂，工作環境粉塵比較多，而且熱量輻射較大，環境溫度較高；物料搬運過程中不可避免會出現物料脫落的情況，而且上料位置靠近人行通道，不時有工作人員通過，存在安全生產隱患。

2 工作站的布局規劃

為了實現鈦錠物料的自動上料功能，滿足客戶生產需求，生產車間規劃的機器人拆垛工作站布局如圖1所示。

圖1 機器人拆垛工作站布局圖

如圖2 所示，機器人拆垛工作站系統由5部分組成：1）機器人平臺。包括機器人本體、示教器及機器人控制柜。2）電氣控制系統。包括電氣控制柜及器件、現場檢測器件、視覺識別系統。電氣控制柜主要包括電氣控制器件、PLC及機器人控制柜。現場檢測器件包括安全開關、取放執行機構上的檢測限位、測距傳感器、接近開關、聲光報警器。視覺識別系統包括攝像機及鏡頭，主要用于確定物料的具體位置。3）取放執行機構。包括定制的專用夾具、氣動控制系統，主要通過夾緊和松開兩個動作，實現物料的抓取、搬運和放置。4）安全防護裝置。包括現場安全防護欄和區域安全傳感器。安全防護欄起到物理安全隔離作用，區域安全傳感器在工作站運轉或緊急停止時可防止機器人臂意外碰觸到操作范圍以內的設備或操作人員的危險事故發生。5）其他輔助裝置。包括機器人底座、安置底座、托盤及輔助工裝等組成，主要負責固定機器人和安放物料。

圖2 機器人拆垛工作站的組成

3 工作站的工藝流程

目前鈦錠機器人拆垛工作站工藝如圖3所示。

圖3 機器人拆垛工作站工藝圖

整個工作流程簡述如下：1）人工將裝有鈦錠物料的托盤轉運至指定區域的固定位置，檢測確認托盤到位及現場安全后啟動機器人拆垛工作站系統。2）在機器人拆垛工作站電氣控制系統作用下，機器人將取放執行機構移至物料安放區域并停止，工作站通過取放執行機構上的視覺識別系統和激光測距系統對鈦錠物料進行精確定位[9-10]。3）精確定位信息反饋給工作站電控系統，工作站控制系統通過驅動機器人和取放執行機構完成物料自動抓取、自動搬運和自動放置。4）機器人拆垛工作站完成1塊鈦錠物料的抓取、搬運和放置等動作后回到初始狀態并繼續下1塊鈦錠的拆垛。當1整垛鈦錠物料拆垛完，工作站系統會通過傳感器檢測缺料信息，發出聲光報警，提示工作人員進行換1垛操作，繼續下1垛鈦錠物料的拆垛。5）假如機器人拆垛工作站遇到故障停止工作且取放執行機構正處于搬運過程中，則需人工干預，控制機器人將物料放置于故障處理工位上，待排除故障后重新啟動工作站即可。

4 取放執行機構的設計

如圖4所示，機器人拆垛工作站系統中定制的取放執行機構包含氣缸一和活動臂、執行主架和雙耳環安裝座、測距傳感器及其安裝板、視覺識別系統護罩、機器人連接件、氣缸二和護勾、接近傳感器及其安裝板、氣缸三和插銷和視覺識別系統及其安裝支架。取放執行機構工作流程總結如下：1）當裝滿物料的托盤轉運至指定區域的固定位置且防護系統確定工作環境安全后，機器人驅動取放執行機構移動至托盤物料安放區域并停止，視覺識別系統確定物料的具體擺放位置，并反饋給電氣控制系統，控制系統驅動機器人姿態做出相應調整。2）當機器人驅動取放執行機構接近物料，測距傳感器實時反饋距離，到達預設位置后，機器人停止動作，取放執行機構上的氣缸一驅動活動臂完成對物料的夾緊，傳感器檢測確認物料的夾緊狀態。當機器人驅動取放執行機構將被夾緊的物料提起一段距離并停止，取放執行機構上的氣缸二驅動護勾完成對物料的防墜保護，并通過氣缸三驅動插銷對護勾進行機械限位鎖定。3）當機器人驅動取放執行機構將被夾緊的物料移動至擺放區域并停止，取放執行機構上的氣缸三驅動插銷解除對護勾的機械限位鎖定，氣缸二驅動護勾解除對物料的防墜保護，機器人驅動取放執行機構將被夾緊的物料擺放至對應擺放位置并停止，氣缸一驅動活動臂完成對物料的釋放，至此機器人驅動取放執行機構完成物料的一次全過程抓取、搬運和放置。機器人再次驅動執行裝置移動至物料安放區域并停止，繼續下一次抓取、搬運和放置任務。

5 實踐驗證

上述解決方案在某企業進行實踐驗證，通過跟蹤統計機器人拆垛工作站系統12個月的生產數據，分析得出工作站物料搬運良品率在99.99%以上，實現了單班節省4人，單位每年可節省百萬元以上的經濟效益。機器人拆垛工作站系統現場如圖5所示。

6 結語

機器人拆垛工作站是進行有色冶煉行業智能制造改造的重要應用，隨著有色冶煉產業的不斷升級、降本增效，對機器人拆垛工作站的需求越來越旺盛。機器人拆垛工作站是一種高自動化集成度的系統，它通過視覺識別系統完成物料的自動尋找并準確定位標識物料位置，提高定位精度，并通過機器人驅動定制的取放執行機構完成物料的抓取、搬運和取放，整個過程無需人工干預，實現24 h連續作業生產。

圖4 取放執行機構

圖5 機器人拆垛工作站現場圖